Введение
Свинец относится к наиболее распространенным металлам в поверхностном слое почв. Для Pb характерно четко выраженная тенденция к накоплению в почве, что связано с малоподвижностью ионов даже при низких значениях рН, так как данный элемент удерживается слоем гумуса и слабо мигрирует в почвенном покрове [9]. Свинец также обнаружен в каждом растении, но он не относится к жизненно-важным элементам; в достаточно небольших количествах он повышает уровень крахмала, ускоряет прорастание семян [1, 8]. Содержание ионов Pb в растениях составляет примерно 5 мг/кг, а концентрация элемента выше 10 мг/кг сухого вещества уже токсична для большинства видов травянистых растений.
Рядом авторов установлено легкое поглощение растениями таких ионов, как Cd, Br, Cs, в то время как Pb медленнее других тяжелых металлов поступает в растения и транспортируется в наземные органы [1, 7]. Разные виды растений обладают неодинаковой способностью накапливать свинец, что широко применяется для снижения неблагоприятного воздействия на городские фитоценозы и использования их в качестве перспективных аккумулянтов-фиторемедиантов.
Цель исследований заключалась в изучении содержания свинца в поверхностном слое городских почв и вегетативных органах однолетних декоративных растений, выращенных в различных по степени антропогенной нагрузки районах г. Йошкар-Олы.
Материал и методы исследования
Объектами исследования служили однолетние декоративные растения, представители семейства Сложноцветные, наиболее часто используемые в озеленение города Йошкар-Олы: бархатцы прямостоячие (Tagetes erecta L.), цинния изящная (Zinnia elegans Jacq.) и астра китайская (Callistephus chinensis L., Nees). Исследования проводились в различных по степени антропогенной нагрузки районах г. Йошкар-Олы: пригородная зона – п. Руэм (условно чистый район, контроль), селитебная зона города – ул. Я. Эшпая (район с низким уровнем загрязнения), промышленная зона города – ОКТБ «Кристалл» (район со средним уровнем загрязнения). Выбор районов основывался на данных химического анализа атмосферного воздуха и почвы, которые были проведены на базе Маргеомониторинга и на данных Ежегодного доклада о состоянии окружающей среды Республики Марий Эл [4].
Определение содержания свинца в почвенных и растительных образцах проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии [3, 5]. Содержание ионов Pb рассчитывали в миллиграммах на килограмм сухой массы (мг/кг). Статистическую обработку проводили с помощью программы «STATISTIKA 6.0», достоверность различий обсуждалась при 5 % уровне значимости.
Результаты исследования и их обсуждение
Как показали результаты нашей работы (рис. 1) содержание свинца в пробах почвы пригородной зоны не превышало санитарно-гигиенического ПДК (6 мг/кг) и составило 5,64 мг/кг. По мере усиления антропогенной нагрузки концентрация ионов Pb в почвенных образцах увеличивалась, и в селитебной зоне было выявлено превышение ПДК в 2 раза. Наибольшим содержанием металла обладал поверхностный слой почвы в промышленной зоне (23,7±0,20 мг/кг), что в 4 раза было выше по сравнению с предельно допустимой концентрацией (р<0,05).
Рис. 1. Содержание свинца в почве г. Йошкар-Олы
В работах, проводимых другими исследователями на территории г. Йошкар-Олы, отмечалось, что содержание свинца в почве промышленной зоны превышало санитарно-гигиеническую ПДК по свинцу в 2,3 раза. Содержание свинца в почвенных образцах в контрольной зоне (лесопарк «Сосновая роща») было ниже предельно допустимой концентрации [2].
В ходе нашей работы изучались также особенности аккумуляции свинца, процессы его передвижения по растению и накопление в вегетативных органах декоративных растений в различных по степени антропогенной нагрузки районах города. В результате исследований, проведенных в пригородной зоне (рис. 2), содержание свинца в листьях и корневой системе изученных однолетних декоративных растений было небольшое и не превышало 1 мг/кг.
Рис. 2. Содержание Pb в вегетативных органах декоративных растений в процессе онтогенеза (условно чистый район, контроль)
По мере роста растений содержание Pb постепенно увеличивалось, и наибольшая концентрация металла приходилась на особи астры китайской в листьях средневозрастного генеративного онтогенетического состояния (g2) (0,9±0,04 мг/кг).
Если сравнивать содержание свинца в листьях и корнях изученных растений, то наибольшее содержание элемента было характерно для ассимиляционных органов. Самая низкая концентрация металла приходилась на прегенеративный период особей бархатцев прямостоячих в корнях (0,17-0,22 мг/кг), что почти в 2 раза было ниже по сравнению с астрой китайской и циннией изящной (р<0,05).
В зависимости от вида растений содержание свинца может значительно варьироваться. Причем для культурных и декоративных растений чаще всего характерно более низкое накопление металла, по сравнению с дикорастущими видами тех же семейств. Кроме того, разные виды растений, а также сорта одного вида различаются по способности накапливать элемент даже при одной и той же их концентрации в почве [7]. На накопление ионов свинца оказывает влияние также и возраст растений.
В селитебной зоне (рис. 3) наибольшей металлоаккумулирующей способностью по отношению к свинцу на протяжении всего индивидуального развития обладали особи астры китайской. В листьях в прегенеративном периоде концентрация элемента у особей ювенильного онтогенетического состояния астры китайской была почти в 3,5 раза выше (р<0,05) по сравнению с циннией изящной и бархатцами прямостоячими.
Рис. 3. Содержание Pb в вегетативных органах декоративных растений в процессе онтогенеза (район с низким уровнем загрязнения)
В корневой системе у декоративных растений в прегенеративном периоде наблюдались иные особенности: низкое содержание свинца в корнях было характерно для особей циннии изящной, а наибольшая концентрация Pb приходилась на средневозрастные генеративные особи бархатцев прямостоячих. В генеративном периоде наибольшее накопление свинца было характерно для астры китайской (1,3±0,09 мг/кг). Если сравнивать накопление элемента в листьях и корнях, то можно сделать следующие выводы: в прегенеративном периоде для ювенильных и имматурных особей декоративных растений характерно наибольшее содержание свинца в ассимиляционных органах и низкое содержание в корневой системе. При переходе растений в генеративный период онтогенеза, содержание элемента не изменялось как в листьях, так и в корнях изученных видов.
Рассматривая особенности накопления свинца в промышленной зоне (рис. 4), можно проследить сходные закономерности: максимальной концентрирующей способностью ионов Pb обладали вегетативные органы астры китайской как в прегенеративном, так и в генеративном периоде. Содержание свинца в листьях и корневой системе у бархатцев прямостоячих и циннии изящной была несколько ниже. Ювенильные и виргинильные растения циннии изящной характеризовались наибольшей концентрацией металла в ассимилирующих органах, чем в корневой системе. У ювенильных особей бархатцев прямостоячих, наоборот, наибольшее содержание свинца было характерно для корней.
Рис. 4. Содержание Pb в вегетативных органах декоративных растений в процессе онтогенеза (район со средним уровнем загрязнения)
В исследованиях Р. Р. Ивановой [6], проведенных на территориях г. Йошкар-Олы, также была прослежена тенденция увеличения содержания свинца у травянистых растений, произрастающих в районах с различной степенью антропогенной нагрузки. Так, у злаков в придорожной полосе улиц содержание свинца увеличивалось до 24–25 %, что было статистически достоверно по сравнению с контролем (0,86± 0,006 мг/кг; р <0,05).
Доля внекорневого поступления свинца в растения зависит от концентрации металла в воздушной среде и осадках, анатомо-морфологических особенностей листьев растений и других факторов. При этом было показано, что Pb, в отличие от некоторых других металлов, при незначительных концентрациях плохо проникает в лист и почти не передвигается в нем, так как барьером для него выступает эпидермис и особенно кутикула. Кроме того, способность листьев поглощать элемент также зависит от анатомических особенностей: чем сильнее опушенность или шероховатость листовой пластинки, тем интенсивнее поступает в них металл из воздуха. Для разных элементов характерна неодинаковая эффективность вымывания. Свинец по сравнению с кадмием легко удаляется атмосферными осадками с поверхности листа [8].
Таким образом, накопление свинца в вегетативных органах декоративных растений увеличивалось по мере загрязнения окружающей среды, но находилось на нижней границе ПДК (0,21–1,43 мг/кг). При переходе особей из прегенеративного периода в генеративный происходило также увеличение концентрации металла в листьях и корневой системы. По количеству содержания свинца однолетние декоративные растения семейства Сложноцветных образуют следующий ряд: Callistephus chinensis > Zinnia elegans > Тagetes erecta.
Заключение
Таким образом, результаты работы показали, что в г. Йошкар-Ола условно чистой является пригородная зона: содержание ионов свинца в почве было самым низким. В селитебной и промышленных зонах отмечалось превышение санитарно-гигиенической ПДК в 1,1–2,2 раза. В связи с различной способностью городских почв к накоплению металла, полученные данные позволяют обнаружить степень антропогенного влияния на содержание свинца в почвенном покрове города. Кроме того, установлена видовая специфичность накопления свинца вегетативными органами астры китайской, циннии изящной и бархатцами отклоненными. Наибольшей металлоаккумулирующей способностью по отношению к свинцу во всех изученных местообитаниях отличались особи астры китайской. У особей бархатцев прямостоячих и циннии изящной содержание свинца на протяжении всего индивидуального развития практически не изменялось. При сравнении особенностей накопления свинца ассимилирующими органами и корневой системой у декоративных растений прослеживается следующая тенденция. Наибольшая концентрация ионов Pb в корнях декоративных растений в процессе онтогенеза была характерна для селитебной и промышленной зон, а для пригородной зоны максимальным содержанием свинца обладали листья растений. Результаты нашей работы показали, что у декоративных растений, произрастающих в различных по степени загрязнения районах г. Йошкар-Олы, содержание свинца находилось в пределах санитарно-гигиенического ПДК (11 мг/кг). Однако по мере увеличения загрязнения окружающей среды (селитебная и промышленная зоны) происходило увеличение содержания металла в вегетативных органах на протяжении всего индивидуального развития растений.
Работа выполнена при поддержке НИР № 5.8479.2013 «Экологический мониторинг и прогнозирование состояния урбанизированных и природных популяций растений» в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ на 2013–2015 гг. Работа поддержана федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы. Номер соглашения 14.В37.21.1111 по теме «Экологические аспекты функционального состояния растений в условиях городской среды».
Рецензенты:
Винокурова Р. И., доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой химии ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.
Самарцев В. Н., доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией Молекулярной биоэнергетики ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола.